Оценка жизненного цикла показывает, что для бытовых тепловых насосов аммиак экологичнее синтетических хладагентов и углеводородов

• 15 Июня 2023

Оценка жизненного цикла бытовых тепловых насосов «воздух-вода» показала, что устройства, использующие в качестве хладагента аммиак (R717), безопаснее для окружающей среды, чем те, в которых применяются синтетические или углеводородные хладагенты.

Оценка, по итогам которой был сделан этот вывод, проводилась Институтом энергетической эффективности зданий и микроклимата при Рейнско-Вестфальском техническом университете Ахена (Германия).

Научный сотрудник Центра энергетических исследований E.ON и Института энергетической эффективности зданий и микроклимата Ханна Ромберг представила результаты оценки на Конференции Международного энергетического агентства (МЭА) по тепловым насосам, проходившей в Чикаго с 15 по 18 мая 2023 года.

По словам Ромберг, тепловые насосы обладают огромным потенциалом сокращения парниковых выбросов, величина которого зависит от выбранного хладагента.

— Однако они могут усилить влияние на иные экологические категории, вот почему необходима оценка жизненного цикла, позволяющая нам избежать переноса экологической нагрузки с одной категории на другие.

Согласно проведенной оценке, наибольшее влияние на окружающую среду оказывает эксплуатация агрегата.

— Другими словами, потребление энергии — важнейший фактор экологического воздействия, — пояснила Ромберг.

«Из всех хладагентов R717 оказывает наименьшее влияние на все экологические категории, благодаря своей высокой эффективности», — говорится в докладе, представленном на конференции МЭА, хотя он чаще используется в коммерческих и промышленных тепловых насосах, чем в бытовых.

«Оценка жизненного цикла системы охватывает производство хладагента и теплового насоса, эксплуатацию теплового насоса, любые утечки хладагента, а также предшествующие процессы, такие как производство материалов и энергии», — сказано в докладе. Оценка не включала утилизацию хладагента и оборудования из-за недостаточности данных.

По словам Ромберг, оценка показала, что экологическое воздействие производства и утечек углеводородов и аммиака пренебрежимо мало. Утечки ГФУ оказывают небольшое воздействие на изменение климата, при этом производство синтетических хладагентов сильно влияет на истощение озонового слоя из-за утечек побочных и промежуточных продуктов.

При производстве тепловых насосов наибольшее воздействие оказывается в категориях токсичность для человека и потребление ресурсов.

— Следует отметить, что воздействие производства аммиачных тепловых насосов в этих категориях сравнительно невелико, это связано с отсутствием меди, — добавила Ромберг. Медь не используется с R717, так как аммиак «разъедает» медь и медные сплавы.

Исследователи выяснили, что по сравнению с газовым отоплением тепловые насосы уменьшают экологическое воздействие в четырех категориях из 16, существенно сокращая парниковые выбросы. Однако в 12 оставшихся категориях, таких как, например, потребление ресурсов, их экологическое воздействие выше. Ученые называют это «переносом нагрузки». Дальнейшие исследования должны оценить значимость выявленных переносов. Повышение эффективности тепловых насосов должно уменьшить их экологическое воздействие.

Область оценки

В ходе оценки исследовались семь хладагентов в «простых» тепловых насосах «воздух-вода», используемых для отопления жилья в климате Западной Германии на протяжении 20-летнего срока эксплуатации. Влияние оценивалось по 16 экологическим категориям.

Наружная температура по условиям оценки колебалась в диапазоне от -10 до 30°C, при этом в помещении должна поддерживаться температура 21°C.

Среди рассмотренных хладагентов были два ГФУ — R410a и R32, один ГФО — R1234yf, три углеводорода — R290, R1270 и R600a, а также аммиак. Природный хладагент CO₂ (R744) не оценивался.

По природным хладагентам исходные данные для оценки жизненного цикла были взяты из коммерческой базы данных ecoinvent, что позволило провести прямое моделирование. Как рассказала Ромберг, для синтетических хладагентов аналогичных баз данных не существует, поэтому для них моделирование проводилось на основе литературных источников, описанных в представленном докладе.

При оценке жизненного цикла удельная масса теплового насоса (величина, обратная удельной мощности) была принята равной 18 кг/кВт.

— Предположение о постоянстве удельной массы было сделано исходя из того, что нами не было найдено никакой информации о ее зависимости от хладагента, — пояснила Ромберг.

— Используя рабочую среду TEASER для моделирования двухэтажного дома для одной семьи, мы оценили потребность в тепле примерно в 20 000 кВт-ч при максимальной тепловой мощности 7,5 кВт, — добавила она. В докладе перечислены следующие величины удельного заряда хладагента: 0,3 кг/кВт для R410a, 0,25 кг/кВт для R32, 0,35 кг/кВт для R1234yf, 0,15 кг/кВт для R290, R1270 и R600a, 0,1 кг/кВт для R717.

Моделирование работы теплового насоса определило оптимальные величины сезонного коэффициента производительности SCOP для каждого хладагента: 3,71 для R410a, 3,99 для R32, 3,82 для R1234yf, 4,2 для R290, 4,19 для R1270, 3,81 для R600a и 4,27 для R717. На основании этих данных исследователи рассчитали потребление электроэнергии для каждого хладагента.

Влияние электросети

— Чтобы уменьшить выбросы от эксплуатации, у нас есть два основных пути, — рассказала Ромберг. — Мы должны либо повысить эффективность теплового насоса, либо рассмотреть экологическое воздействие энергии из электросети.

Для оценки жизненного цикла использовались данные о немецких электросетях за 2018 год (GE). Взяв доступные данные из базы ecoinvent, Институт рассмотрел четыре другие варианта электроснабжения: переход от GE к сценарию устойчивого развития (SDS), собственно SDS, ветроэлектрогенерацию и энергию солнца.

Вариант SDS уменьшает воздействие в девяти из 16 экологических категорий, сокращая парниковые выбросы на 79% по сравнению с газовым отоплением, говорится в докладе. Ветроэлектрогенерация сокращает парниковые выбросы на 89%, уменьшая воздействие в 11 категориях. Энергия солнца сокращает парниковые выбросы на 81%, уменьшая воздействие в 8 категориях.

Согласно докладу, для всех пяти вариантов электроснабжения применение тепловых насосов уменьшает экологическое воздействие в следующих категориях: изменение климата, истощение озонового слоя, образование фотохимического смога и потребление энергоресурсов. Однако влияние в таких категориях, как эвтрофикация (зарастание водоемов), токсичность для пресноводных водоемов и человека, экологически обусловленная канцерогенность, потребление природных ресурсов и воды растет также для всех вариантов электроснабжения.

Дальнейшие исследования

— Задача этой работы — заложить основу, — заявили представители института, добавив, что в дальнейшем следует рассмотреть следующие аспекты:

• прочие части энергетической системы здания, такие как распределительная система, баки-аккумуляторы или ограждающие конструкции здания в зависимости от объемной мощности каждого хладагента;
• использование динамической оценки жизненного цикла для улучшения цепочек поставок материалов и хладагентов;
• учет воздействия утилизации оборудования и хладагента;
• анализ причин усиления воздействия на окружающую среду в 12 категориях, затронутых переносом экологической нагрузки.

Источник статьи – сайт Проекта Арктического совета по выводу озоноразрушающих веществ и фторсодержащих газов в рыбохозяйственном секторе Мурманской области: Оценка жизненного цикла показывает, что для бытовых тепловых насосов аммиак экологичнее синтетических хладагентов и углеводородов